Quantenüberlagerung ist nicht nur eine Eigenschaft subatomarer Teilchen, sondern auch der massereichsten Objekte im Universum. Das ist die Schlussfolgerung von vier theoretischen Physikern in Australien und Kanada, die die hypothetische Reaktion eines Teilchendetektors berechnet haben, der in einiger Entfernung von einem Schwarzen Loch aufgestellt wurde. Die Forscher sagen, dass der Detektor neuartige Anzeichen von überlagerten Raumzeiten sehen würde, was darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch gleichzeitig zwei unterschiedliche Massen haben könnte.
Schwarze Löcher entstehen, wenn extrem massereiche Objekte wie Sterne zu einer Singularität kollabieren – einem Punkt unendlicher Dichte. Das Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs ist so groß, dass nichts seinen Fängen entkommen kann, nicht einmal Licht. Dadurch entsteht ein kugelförmiger Raumbereich um die Singularität herum, der vollständig vom Rest des Universums abgeschnitten ist und durch einen sogenannten Ereignishorizont begrenzt wird.
Ein aktives Forschungsgebiet zur Physik von Schwarzen Löchern versucht, eine konsistente Theorie der Quantengravitation zu entwickeln. Dies ist ein wichtiges Ziel der theoretischen Physik, das die Quantenmechanik und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie in Einklang bringen würde. Insbesondere durch die Betrachtung von Schwarzen Löchern in Quantenüberlagerung erhoffen sich Physiker Einblicke in die Quantennatur der Raumzeit.
Unruh-deWitt-Detektor
Im späteste Arbeitberichtet in Physical Review Letters, Joshua Foo und Magdalena Zych der University of Queensland zusammen mit Cémile Arabaci und Robert Mann an der University of Waterloo skizzieren, was sie als einen neuen operativen Rahmen für die Untersuchung von Raum-Zeit-Überlagerungen beschreiben. Anstatt einen „Top-down“-Ansatz zur Quantisierung der Allgemeinen Relativitätstheorie zu verwenden, betrachten sie stattdessen die Auswirkungen des Quantenzustands eines Schwarzen Lochs auf das Verhalten eines bestimmten physikalischen Geräts namens Unruh-deWitt-Detektor.
Dabei handelt es sich um ein hypothetisches Gerät, das ein Zweizustandssystem umfasst, wie etwa ein Teilchen in einer Kiste, das mit einem Quantenfeld gekoppelt ist. Wenn es sich in seinem Niedrigenergiezustand befindet und elektromagnetischer Strahlung genau der richtigen Frequenz ausgesetzt wird, springt das System in seinen höheren Zustand und registriert einen „Klick“.
Mit einem solchen Detektor kann theoretisch gemessen werden Unruh-Strahlung, ein Wärmebad aus Partikeln, von dem vorhergesagt wird, dass es aus dem Quantenvakuum einem Beobachter erscheint, der durch den Weltraum beschleunigt. In dem in der neuen Studie dargelegten Szenario würde es stattdessen erfassen Hawking Strahlung. Dies ist Strahlung, die voraussichtlich erzeugt wird, wenn virtuelle Teilchen-Antiteilchen-Paare innerhalb des Quantenvakuums am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs auseinandergerissen werden – das Antiteilchen verschwindet dann in der Leere und das Teilchen wird in den umgebenden Raum emittiert.
In ihrem Gedankenexperiment sieht das Quartett einen Unruh-deWitt-Detektor vor, der sich an einem bestimmten Punkt außerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs befindet, wobei die feste Position des Detektors durch eine Beschleunigung vom Schwarzen Loch weg ermöglicht wird, die die Hawking-Strahlung erzeugt. Die Forscher betrachten die Auswirkung einer Überlagerung der Masse des Schwarzen Lochs auf die Ausgabe dieses Detektors.
Überlagerung von Distanzen
Wie sie erklären, ergeben die beiden Massen unterschiedliche Lösungen der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und damit unterschiedliche Raumzeiten. Die resultierende Überlagerung von Raumzeiten wiederum hinterlässt den Detektor in einer Überlagerung von Entfernungen vom Ereignishorizont, wodurch tatsächlich ein Interferometer entsteht, dessen Arme jeweils einer der Massen des Schwarzen Lochs zugeordnet sind. Die Wahrscheinlichkeit, dass der Detektor klickt, hängt davon ab, welche Massen in der Überlagerung vorhanden sind.
Bei den Berechnungen für ein relativ einfaches Schwarzes Loch, das in zwei räumlichen Dimensionen durch die Banados-Teitelboim-Zanelli-Formulierung beschrieben wird, erzielten die Physiker ein bemerkenswertes Ergebnis. Sie zeichneten die Wahrscheinlichkeit, ein vom Schwarzen Loch emittiertes Teilchen zu entdecken, als Funktion der Quadratwurzel der Überlagerungsmassenverhältnisse auf und fanden scharfe Spitzen, wenn diese Werte gleich 1/n, mit n eine ganze Zahl sein.
Verschränkte Hawking-Strahlung in einem analogen Schwarzen Loch entdeckt
Die Forscher führen dieses Verhalten auf konstruktive Interferenzen zwischen der Strahlung in den Interferometerarmen zurück, die den vom amerikanisch-israelischen Physiker Jacob Bekenstein in den 1970er Jahren vorhergesagten Massen von Schwarzen Löchern entsprechen. Er zeigte, dass die Oberfläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs – und damit seine Masse – eine adiabatische Invariante ist. Dies ist eine physikalische Eigenschaft, die bei langsamer Einwirkung konstant bleibt und zu einer Quantisierung der Masse führt.
„Dieses Ergebnis unterstützt unabhängig Bekensteins Vermutung“, schreiben die Forscher Physical Review Letters, „der demonstriert, wie die Erregungswahrscheinlichkeit des Detektors eine echte Quantengravitationseigenschaft eines Quantenschwarzen Lochs aufdecken kann“.
Die vier Physiker betonen, dass das Ergebnis aus ihren Berechnungen hervorging, ohne anzunehmen, dass die Masse des Schwarzen Lochs innerhalb der von Bekensteins Vermutung vorhergesagten diskreten Bänder liegen musste. Sie fügen hinzu, dass ihre Technik auf komplexere Beschreibungen von Schwarzen Löchern in drei räumlichen Dimensionen ausgedehnt werden könnte, was ihrer Meinung nach zusätzliche Einblicke in die Auswirkungen der Quantengravitation in unserem Universum liefern würde.
